本發(fā)明涉及激光焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種不銹鋼與鋁金屬薄板焊接的異種金屬微焊接方法。

背景技術(shù)：

由于鋁合金具有質(zhì)量輕、密度小、彈性塑性良好，比強(qiáng)度高、耐磨、耐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性良好、加工性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。在一些電子產(chǎn)品中，鋁合金主要用于制造外殼，內(nèi)部結(jié)構(gòu)件常用不銹鋼，對(duì)于不銹鋼與鋁異種金屬之間的連接，傳統(tǒng)工藝采用電阻焊、攪拌摩擦焊等，但此類方法生產(chǎn)成本高、效率低，生產(chǎn)中急需用新的焊接工藝代替。

鋼鋁異種金屬的可靠連接一直是焊接工藝難點(diǎn)，主要原因是鋼鋁兩者的物理性能差異大，互溶度低，且鋼鋁極易生成鐵鋁脆性金屬間化合物，這些化合物使焊接接頭的力學(xué)性能大大降低。例如，鋁鋼異種金屬焊接過程中會(huì)生成大量脆性(Fe，Al)金屬間化合物，而焊接熱應(yīng)力使得焊縫產(chǎn)生微裂紋。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種異種金屬微焊接方法，通過精確控制激光熱輸入以及采用新的高速掃描方式，實(shí)現(xiàn)不銹鋼與鋁的可靠性連接，減少焊接缺陷，提升力學(xué)性能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種異種金屬微焊接方法，包括以下步驟：

A1、用夾具將鋁合金板與不銹鋼板壓緊固定；

A2、將納秒級(jí)激光器或微秒激光器搭配高速掃描振鏡頭，高速掃描振鏡頭控制激光對(duì)鋁合金板與不銹鋼板進(jìn)行掃描焊接，使鋁合金板與不銹鋼之間形成焊點(diǎn)，焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入到鋁合金板內(nèi)。

進(jìn)一步地，在步驟A1之前，還包括以下步驟：A0、用有機(jī)溶劑擦拭不銹鋼板表面，然后將其疊放在鋁合金板上。

進(jìn)一步地，所述有機(jī)溶劑為丙酮或酒精。

進(jìn)一步地，所述高速掃描振鏡頭采用填充線高速掃描方式：先沿連續(xù)的橫線方向掃描，在前一次焊接后熔池金屬未完全凝固時(shí)，再沿連續(xù)的豎線方向掃描交叉形成焊點(diǎn)；或者先沿連續(xù)的豎線方向掃描，在前一次焊接后熔池金屬未完全凝固時(shí)，再沿連續(xù)的橫線方向掃描交叉形成焊點(diǎn)。

進(jìn)一步地，橫線之間的間距與豎線之間的間距相同。

進(jìn)一步地，所述高速掃描振鏡頭采用螺旋線高速掃描方式：先沿直徑較小螺旋線掃描形成第一圓形焊點(diǎn)，在前一次焊接后熔池金屬未完全凝固時(shí)，再沿直徑較大的螺旋線掃描形成第二圓形焊點(diǎn)，兩次掃描形成的圓形焊點(diǎn)相互重疊。

進(jìn)一步地，所述較小螺旋線的直徑為0.5mm，較大螺旋線的直徑為0.7mm，前一次掃描的能量大于后一次掃描的能量。

進(jìn)一步地，所述螺旋線由內(nèi)向外螺旋形成。

進(jìn)一步地，所述高速掃描振鏡頭采用螺旋漸進(jìn)高速掃描方式：用螺旋的方式繞中心點(diǎn)掃描一圈形成焊點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述高速掃描振鏡頭采用同心圓高速掃描方式：先沿一個(gè)直徑較小的圓掃描，然后依次沿直徑較小的同心圓到直徑較大的同心圓掃描，形成焊點(diǎn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種異種金屬微焊接方法，將納秒級(jí)激光器或微秒激光器搭配高速掃描振鏡頭，高速掃描振鏡頭控制激光對(duì)鋁合金板與不銹鋼板進(jìn)行掃描焊接，使鋁合金板與不銹鋼之間形成焊點(diǎn)，焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入到鋁合金板內(nèi)。利用納秒級(jí)激光器或微秒激光器脈沖寬度極短，能量較低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)采用高速掃描方式，以精確控制熱輸入來減小鋁合金板與不銹鋼板之間(Fe，Al)金屬間化合物的生成，避免焊縫產(chǎn)生微裂紋。同時(shí)焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入到鋁合金板內(nèi)，(Fe，Al)金屬間化合物沿著“齒”根間斷分布，尺寸也變小，裂紋較傳統(tǒng)焊接方式明顯減少，焊接強(qiáng)度明顯提高。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明提供的實(shí)施方式一中填充線高速掃描方式的示意圖；

圖2是實(shí)施方式一中對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行拉力和剪力測(cè)試的數(shù)據(jù)圖；

圖3是實(shí)施方式一中焊點(diǎn)的截面金相圖；

圖4是實(shí)施方式二中螺旋線高速掃描方式的示意圖；

圖5是實(shí)施方式二中焊點(diǎn)的截面金相圖；

圖6是實(shí)施方式三中螺旋漸進(jìn)高速掃描方式的示意圖；

圖7是實(shí)施方式三中焊點(diǎn)的截面金相圖；

圖8是實(shí)施方式四中同心圓高速掃描方式的示意圖；

圖9是實(shí)施方式四中焊點(diǎn)的截面金相圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例作詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供一種異種金屬微焊接方法，包括以下步驟：

A1、用夾具將鋁合金板與不銹鋼板壓緊固定；

A2、將納秒級(jí)激光器或微秒激光器搭配高速掃描振鏡頭，高速掃描振鏡頭控制激光對(duì)鋁合金板與不銹鋼板進(jìn)行掃描焊接，使鋁合金板與不銹鋼之間形成焊點(diǎn)，焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入到鋁合金板內(nèi)。將納秒級(jí)激光器或微秒激光器搭配高速掃描振鏡頭，高速掃描振鏡頭控制激光對(duì)鋁合金板與不銹鋼板進(jìn)行掃描焊接。利用納秒級(jí)激光器或微秒激光器脈沖寬度極短，能量較低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)采用高速掃描方式，以精確控制熱輸入來減小鋁合金板與不銹鋼板之間(Fe，Al)金屬間化合物的生成，避免焊縫產(chǎn)生微裂紋。另外，焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入到鋁合金板內(nèi)，(Fe，Al)金屬間化合物沿著“齒”根間斷分布，尺寸也變小，裂紋較傳統(tǒng)焊接方式明顯減少，焊接強(qiáng)度明顯提高。

納秒激光器采用MOPA結(jié)構(gòu)，最大出光頻率可達(dá)1000KHz，F(xiàn)WMH調(diào)節(jié)范圍10-120nm，最大峰值功率13kW，一個(gè)脈沖能量最大達(dá)到1mJ，支持CW調(diào)制方式。微秒激光器則是通過對(duì)連續(xù)激光器或脈沖激光器進(jìn)行調(diào)制，是一種把上位機(jī)設(shè)置的出光間隔改成調(diào)制周期(調(diào)制頻率的倒數(shù))，把連續(xù)出光模式和脈沖模式調(diào)制成更短脈沖模式的激光器。對(duì)于毫秒級(jí)脈沖激光器、連續(xù)激光器都可以經(jīng)過調(diào)制的方式調(diào)制成微秒級(jí)。其頻率在1Hz-1MHz內(nèi)可調(diào)，調(diào)制周期1μs-1ns，每個(gè)輸出方波波長(zhǎng)在1μs-1ns內(nèi)可調(diào)，占空比在0～100％內(nèi)可調(diào)。經(jīng)數(shù)字調(diào)制后，外控信號(hào)觸發(fā)一次，在低電平下會(huì)連續(xù)輸出多個(gè)方波，功率平穩(wěn)可達(dá)到良好的焊接效果。

在步驟A1之前，還包括以下步驟：A0、用丙酮或酒精等有機(jī)溶劑擦拭不銹鋼板表面，然后將其疊放在鋁合金板上。這樣能有效避免不銹鋼板表面的灰塵等雜質(zhì)對(duì)焊接的影響，提高焊點(diǎn)的力學(xué)性能。

在本發(fā)明中，高速掃描振鏡頭主要通過以下幾種實(shí)施方式控制激光對(duì)鋁合金板與不銹鋼板進(jìn)行掃描焊接：

實(shí)施方式一

如圖1所示，高速掃描振鏡頭采用填充線高速掃描方式：先沿連續(xù)的橫線a方向掃描，在前一次焊接后熔池金屬未完全凝固時(shí)，再沿連續(xù)的豎線b方向掃描交叉形成焊點(diǎn)；或者先沿連續(xù)的豎線b方向掃描，在前一次焊接后熔池金屬未完全凝固時(shí)，再沿連續(xù)的橫線a方向掃描交叉形成焊點(diǎn)。其中，橫線a之間的間距與豎線b之間的間距相同，這樣掃描焊接比較均勻，有利于形成力學(xué)能力較好的焊點(diǎn)。

具體地，當(dāng)焊接厚度為0.15mm的316L不銹鋼和0.6mm的6063鋁合金板時(shí)，采用納秒級(jí)激光器或微秒激光器進(jìn)行焊接。先用丙酮或酒精等有機(jī)溶劑擦拭不銹鋼板表面，然后將其疊放在鋁合金板上，用夾具把兩塊板壓緊固定。并排焊接五個(gè)焊點(diǎn)，軟件上設(shè)置焊點(diǎn)間距為1mm。高速掃描振鏡頭采用填充線高速掃描方式，第一次焊接時(shí)選用Ni號(hào)波形，脈沖模式，掃描焊接移動(dòng)速度為30mm/s，第二次焊接時(shí)采用連續(xù)模式波型，掃描焊接移動(dòng)速度為50mm/s。焊接完成后，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行拉力和剪力測(cè)試，如圖2所示。五個(gè)焊點(diǎn)的平均拉力為30N，平均剪力為189N，則單點(diǎn)的平均拉力為6N,平均剪力為62N；而用傳統(tǒng)YAG脈沖激光焊接不銹鋼薄板與鋁合金板的話，單點(diǎn)平均剪力25N。

圖3為焊點(diǎn)的截面金相圖，焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入到鋁合金板內(nèi)，其中鋁合金板位于不銹鋼板的下方。相比于傳統(tǒng)YAG脈沖激光焊接后(Fe，Al)金屬間化合物沿著熔合線連續(xù)帶狀分布，通過本實(shí)施方式的焊接方法焊接后(Fe,Al)金屬間化合物沿著“齒”根間斷分布，尺寸也變小。裂紋較傳統(tǒng)焊接方式明顯減少，焊接強(qiáng)度明顯提高。

實(shí)施方式二

如圖4所示，高速掃描振鏡頭采用螺旋線高速掃描方式：先沿直徑較小螺旋線掃描形成第一圓形焊點(diǎn)，在前一次焊接后熔池金屬未完全凝固時(shí)，再沿直徑較大螺旋線掃描形成第二圓形焊點(diǎn)，兩次掃描形成的圓形焊點(diǎn)相互重疊。在本實(shí)施例中，較小螺旋線的直徑為0.5mm，較大螺旋線的直徑為0.7mm，前一次掃描的能量大于后一次掃描的能量，上述螺旋線由內(nèi)向外螺旋形成。前一次焊接能量大于后一次的焊接能量，故熱影響大于后一次的，前一次焊接軌跡小于后一次焊接軌跡，最終兩次形成的焊點(diǎn)大小反而是一致的。

具體地，當(dāng)焊接厚度為0.1mm的316L不銹鋼和0.6mm厚的6063鋁合金板時(shí)，采用納秒級(jí)激光器或微秒激光器進(jìn)行焊接。先用丙酮或酒精等有機(jī)溶劑擦拭不銹鋼板表面，然后將其疊放在鋁合金板上，用夾具把兩塊板壓緊固定。并排焊接五個(gè)焊點(diǎn)，焊點(diǎn)間距設(shè)置為1mm。采用螺旋線高速掃描方式，第一次焊接時(shí)功率為160W，掃描焊接移動(dòng)速度為50mm/s，重復(fù)頻率50kHz，占空比為30％；第二次焊接時(shí)功率為150W，掃描焊接移動(dòng)速度為30mm/s，重復(fù)頻率50kHz，占空比為10％。圖5為焊點(diǎn)的截面金相圖，焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入到鋁合金板內(nèi)。相比于傳統(tǒng)YAG脈沖激光焊接后(Fe，Al)金屬間化合物沿著熔合線連續(xù)帶狀分布，通過本實(shí)施方式的焊接方法焊接后(Fe,Al)金屬間化合物沿著“齒”根間斷分布，尺寸也變小。裂紋較傳統(tǒng)焊接方式明顯減少，焊接強(qiáng)度明顯提高。

實(shí)施方式三

如圖6所示，高速掃描振鏡頭采用螺旋漸進(jìn)高速掃描方式：用螺旋的方式繞中心點(diǎn)掃描一圈形成焊點(diǎn)。由于鋁-鋼異種金屬焊接過程中會(huì)在熔合線附近生成大量脆性(Fe，Al)金屬間化合物層，且鋁-鋼熱膨脹系數(shù)差別大。在鋁-鋼焊接過程中，熔合線附近產(chǎn)生較大熱應(yīng)力并作用于脆性金屬間化合物層從而引發(fā)熱裂紋。以較大熱輸入直接焊接，焊縫熔深和熔寬都會(huì)增加，界面結(jié)合面的增大會(huì)提高接頭的力學(xué)性能，然而由于熔池中金屬原子間的劇烈反應(yīng)，生成大量脆性化合物，凝固過程中產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，更易產(chǎn)生裂紋。采用螺旋漸近的方式可以在一定程度上避免應(yīng)力的集中，以減少微裂紋的生成。

具體地，當(dāng)焊接厚度為0.15mm的316L不銹鋼和0.6mm厚的6063鋁合金板，采用納秒級(jí)激光器或微秒激光器進(jìn)行焊接。先用丙酮或酒精等有機(jī)溶劑擦拭不銹鋼板表面，然后將其疊放在鋁合金板上，用夾具把兩塊板壓緊固定。采用螺旋漸進(jìn)高速掃描方式，微秒激光器功率為220W，掃描焊接移動(dòng)速度為50mm/s，重復(fù)頻率50kHz，占空比為30％。焊接效果如圖7所示，焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入到鋁合金板內(nèi)。相比于傳統(tǒng)YAG脈沖激光焊接后(Fe，Al)金屬間化合物沿著熔合線連續(xù)帶狀分布，通過本實(shí)施方式的焊接方法焊接后(Fe,Al)金屬間化合物沿著“齒”根間斷分布，尺寸也變小。裂紋較傳統(tǒng)焊接方式明顯減少，焊接強(qiáng)度明顯提高。

實(shí)施方式四

如圖8所示，高速掃描振鏡頭采用同心圓高速掃描方式：先沿一個(gè)直徑較小的圓掃描，然后依次沿直徑較小的同心圓到直徑較大的同心圓掃描，形成焊點(diǎn)。在本實(shí)施例中，各圓之間的間距相同。

具體地，當(dāng)焊接厚度為0.1mm的316L不銹鋼和0.6mm厚的6063鋁合金板時(shí)，采用經(jīng)調(diào)制后的連續(xù)光纖激光器進(jìn)行焊接。先用丙酮或酒精等有機(jī)溶劑擦拭不銹鋼板表面，然后將其疊放在鋁合金板上，用夾具把兩塊板壓緊固定。并排焊接五個(gè)焊點(diǎn)，焊點(diǎn)間距設(shè)置為1mm。采用納秒級(jí)激光器或微秒激光器，以同心圓掃描方式進(jìn)行焊接，選用脈沖模式波形，掃描焊接移動(dòng)速度為30mm/s。

如圖9所示，焊點(diǎn)根部呈“齒”狀嵌入到鋁合金板內(nèi)。相比于傳統(tǒng)YAG脈沖激光焊接后(Fe，Al)金屬間化合物沿著熔合線連續(xù)帶狀分布，通過本實(shí)施方式的焊接方法焊接后(Fe,Al)金屬間化合物沿著“齒”根間斷分布，尺寸也變小。裂紋較傳統(tǒng)焊接方式明顯減少，焊接強(qiáng)度明顯提高。

應(yīng)當(dāng)理解的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，可以對(duì)上述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而所有這些修改和替換，都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。